纳米力学测试方法

力—距离曲线测试分为准静态模式和动态模式，实际应用中采用较多的是准静态模式下的力-距离曲线测试。由力—距离曲线测试可以获得样品表面的力学性能及黏附的信息。利用接触力学模型对力—距离曲线进行拟合，可以获得样品表面的弹性模量。力—距离曲线测试与纳米压痕相比，可以施加更小的作用力(nN量级)，较好地避免了对生物软材料的损害，极大地降低了基底对薄膜力学性能测试的影响。力—距离曲线测试普遍应用于聚合物材料和生物材料的纳米力学性能测试，很多研究者利用此方法获得了细胞的模量信息。力—距离曲线阵列测试可以获得测试区域内力学性能的分布，但是分辨率较低，且测试时间较长。另外，力—距离曲线一般只对软材料才比较有效。图2 是通过力—距离曲线阵列测试获得的细胞力学性能(模量) 的分布。测试设置需精确控制实验条件，以消除外部干扰，确保实验结果的准确性。纳米力学测试方法

Berkovich压头是纳米压痕硬度计中较常用的。它可以加工得很尖，而且几何形状在很小尺度内保持自相似，适合于小尺度的压痕实验。目前，该类压头的加工水平：端部半径50nm，典型值约40nm，中心线和面的夹角精度为J=0.025°。在纳米压痕硬度测量中，Berkovich压头是一种理想的压头。优点包括：易获得好的加工质量，很小载荷就能产生塑性，能减小摩擦的影响。Cube-corner压头因其三个面相互垂直，像立方体的一个角，故取此名称。压头越尖，就会在接触区内产生理想的应力和应变。目前，该种压头主要用于断裂韧性(fracture toughness)的研究。它能在脆性材料的压痕周围产生很小的规则裂纹，这样的裂纹能在相当小的范围内用来估计断裂韧性。锥形压头圆锥具有尖的自相似几何形状，从模型角度常利用它的轴对称特性，纳米压痕硬度的许多模型均基于圆锥压痕。由于难以加工出尖的圆锥金刚石压头，它在小尺度实验中很少使用。湖南科研院纳米力学测试实验室纳米力学测试技术的发展推动了纳米材料和纳米器件的性能优化。

AFAM 方法较早是由德国佛罗恩霍夫无损检测研究所Rabe 等在1994 年提出的。1996 年Rabe 等详细分析了探针自由状态以及针尖与样品表面接触情况下微悬臂的动力学特性，建立了针尖与样品接触时共振频率与接触刚度之间的定量化关系。之后，他们还给出了考虑针尖与样品侧向接触、针尖高度及微悬臂倾角影响的微悬臂振动特征方程。他们在这方面的主要工作奠定了AFAM 定量化测试的理论基础。Reinstaedtler 等利用光学干涉法对探针悬臂梁的振动模态进行了测量。Turner 等采用解析方法和数值方法对比了针尖样品之间分别存在线性和非线性相互作用时，点质量模型和Euler-Bernoulli 梁模型描述悬臂梁动态特性的异同。

量子效应也决定纳米结构新的电，光和化学性质。因此量子效应在邻近的纳米科学，纳米技术，如纳米电子学，先进能源系统和纳米生物技术学科范围得到更多注意。纳米测量技术是利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，这个技术已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量。安全一直是必须认真考虑的问题。电测量工具会输出有危险的、甚至是致命的电压和电流。清楚仪器使用中何时会发生这些情形显得极为重要，只有这样人们才能采取恰当的安全防范手段。请认真阅读并遵从各种工具附带的安全指示。纳米力学测试应用于半导体、生物医学、能源等多个领域，具有普遍前景。

研究液相环境下的流体载荷对探针振动产生的影响可以将AFAM 定量化测试应用范围扩展至液相环境。液相环境下增加的流体质量载荷和流体阻尼使探针振动的共振频率和品质因子都较大程度上减小。Parlak 等采用简单的解析模型考虑流体质量载荷和流体阻尼效应，可以在液相环境下从探针的接触共振频率导出针尖样品的接触刚度值。Tung 等通过严格的理论推导，提出通过重构流体动力学函数的方法，将流体惯性载荷效应进行分离。此方法不需要预先知道探针的几何尺寸及材料特性，也不需要了解周围流体的力学性能。纳米力学测试对于材料科学研究至关重要，能够精确测量纳米尺度下的力学性质。湖南科研院纳米力学测试实验室

纳米力学测试需要使用专属的纳米力学测试仪器，如纳米压痕仪和纳米拉伸仪等。纳米力学测试方法

纳米压痕试验举例，试验材料取单晶铝，试验在美国 MTS 公司生产的 Nano Indenter XP 型纳米硬度仪以及美国 Digital Instruments 公司生产的原子力显微镜 (AFM) 上进行。首先将试样放到纳米硬度仪上进行压痕试验，根据设置的较大载荷或者压痕深度的不同，试验时间从数十分钟到若干小时不等，中间过程不需人工干预。试验结束后，纳米压痕仪自动计算出试样的纳米硬度值和相关重要性能指标。本试验中对单晶铝(110) 面进行检测，设置压痕深度为1.5 μ m，共测量三点，较终结果取三点的平均值。纳米力学测试方法